CN106373193B - 一种基于盒覆盖法的边坡装配式离散元模型生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于盒覆盖法的边坡装配式离散元模型生成方法，将装配范围设计为一规则区域，视作一个装配部件，将外部的边坡范围按照一定尺寸生成规则的小长方体单元。然后利用盒覆盖方法对块体进行合并，从而使得模型总块体数目最少，使建立的模型既能保持表面地形的精度，又能使内部块体最少，保证后续内部结构的构建精度，大大方便了离散元模型的构建，在块体离散元模型构建利用拓扑方法切割隧洞时，由于拓扑分析所涉及的块体少，虚拟节理容易生成，使得隧洞外形切割成功率非常高。该建模方法不仅适用于岩土模型的构建，对于地质等其他领域的模型构建同样适用，适用范围广泛，可控性较强，建立的模型精度更高。

Description

一种基于盒覆盖法的边坡装配式离散元模型生成方法

技术领域

本发明属于岩土工程工科数值分析技术领域，具体涉及一种基于盒覆盖法的边坡装配式离散元模型生成方法。

背景技术

块体离散元数值模型由块体搭建而成。在边坡模型构建过程中，需要考虑边坡地形，因此需要将表面划分为一定数量的小区域，小区域越多地形越精确。同时如果需要在边坡岩体内构建地下洞室、工程结构等，这要求采用的块体越少越好，二者恰好矛盾。因此，本领域技术人员有需要提供一种既能控制地形精度又便于完成岩体内构建的基于盒覆盖法的边坡装配式离散元模型生成方法。

发明内容

针对块体离散元数值模型构建过程中，一方面需要关注局部控制地形精度；另一方面大量小块体存在，导致在边坡岩体内构建地下洞室、工程结构时不易实现，即便完成构建，精度也很不精确的不足，本发明提供了一种既能保持表面地形的精度，又能使内部块体最少，保证后续内部结构构建精度的基于盒覆盖法的边坡装配式离散元模型生成方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于盒覆盖法的边坡装配式离散元模型生成方法，包括以下步骤：

S1、首先建立平面建模区域，按照该区域内边坡最高高程到模型底部高程的距离得到模型高度，按照一定特征尺寸即模型在三个坐标轴方向的单元长度构成三维长方体网格；在空间网格内，定义平面及三维区域中的装配区域，该区域内部模型单独构建，作为部件拼装到整体模型内；

S2、按照平面网格形成的栅格点即单元角点连接处在三维长方体网格的xoy面上的投影，采用地形插值方法向边坡地表投影，投影后底部为平面控制网格，上部为控制底面向地表投影得到的边坡表面网格；

S3、判断每个长方体单元的8个角点位置，如果8点全部位于坡表以上则单元标识为0；8个节点全部位于坡表以下则单元标识为2；如果8个点分处坡表上下则单元标识为1，装配范围内的单元标识为3；

S4、对于标识为0和3的长方体，删除；对于标识为2的长方体，将位于坡表上方的角点坐标z坐标修改为坡表Z坐标值；对于标识为1的长方体，利用盒覆盖法进行合并，使模型总块体数目最少；

S5、输出所有块体，同时进行模型装配及模型边界耦合度检查。

优选的，在步骤S4中，所述盒覆盖法的处理步骤为：

S21、针对标识为1的长方体单元，采用长方体盒子，盒子的长、宽、高方向分别采用长方体单元特征尺寸，从模型的左下角逐步沿着x、y、z进行遍历，每次移动一个特征尺寸；

S22、如果发现盒子内部的所有长方体单元标识全部为1，则记录该位置，然后增大盒子尺寸继续从开始遍历；如果第i+1次遍历盒子的体积大于第i次的体积，则替换体积最优盒子并更新模型数据；

S23、遍历完毕后，把记录出体积最优盒子位置内的长方体标识为100，下一次不参与遍历，把这些位于最优盒子内的长方体单元合并为一个大的块体；

S24、接下来，继续从模型左下角部沿着x、y、z进行循环遍历，直到所有长方体的标识都不为1为止，遍历结束。

优选的，步骤S5中，对于装配范围内，建模范围按装配区域为边界，进行精细化模型构建；建好后将该部分模型作为一个配件组装入整体模型，形成最后的边坡模型；其中配件模型可采用小长方体单元构建，也可以采用块体合并构建。

进一步的，步骤S5中，通过检查配件边界条件与边坡初始预留范围是否严格匹配，以保证模型的耦合性。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明方法将装配范围设计为一规则区域，视作一个装配部件，将外部的边坡范围按照一定尺寸生成规则的小长方体单元；然后利用盒覆盖方法对块体进行合并，从而使得模型总块体数目最少，使建立的模型既能保持表面地形的精度，又能使内部块体最少，保证后续内部结构的构建精度，大大方便了离散元模型的构建，使得建模工作如搭积木一般进行构建，可以事半功倍。

2)、利用本发明方法生成边坡模型，采用地形插值方法向边坡地表投影，可以获得较好的坡表精度；采用盒覆盖法合并地表面以下长方体单元，使得模型总块体数目最少，可以大大提高边坡内岩体中构建复杂模型的成功率；采用拓扑方法切割隧洞时，由于拓扑分析所用的块体少，虚拟节理容易生成，使得隧洞外形切割成功率非常高。

3)、本发明建模方法不仅适用于岩土模型的构建，对于地质等其他领域的模型构建同样适用，适用范围广泛，可控性较强，建立的模型精度更高。

附图说明

图1为二维平面建模区域(虚线框所围部分为装配区域)的示意图。

图2为三维长方体网格区域(虚线框所围部分为装配区域)示意图。

图3为边坡面投影网格示意图。

图4为边坡面上部、下部，跨边坡面的长方体单元示意图。

图5为跨边坡表面的长方体角点修改后的模型示意图。

图6为标识为1的长方体网格示意图。

图7为盒覆盖遍历所有长方体盒子示意图。

图8为本发明方法的流程图。

图9为合并后的块体示意图。

图10为边坡模型组装示意图。

图11为配件模型示意图。

图12为模型边界缝隙检查示意图。

图13为严格耦合模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种基于盒覆盖法的边坡装配式离散元模型生成方法，包括如下步骤：

S1、首先从平面上选择一定的建模区域(x向宽度a，y向长度b)，如图1所示；然后按照该区域内边坡最高高程到边坡模型底部的距离得到模型高度h，按照一定特征尺寸(x、y、z向分别为da，db，dc)控制形成长方体网格，如图2所示，整个区域为一系列长方体单元构成；

每一个长方体称为一个单元，每个单元由8个角点构成，所有的角点进行全局编号，称为节点，所有的单元称之为网格；单元中z值最大四点构成的面称为顶面，z值最小四点构成的面称为底面；

在空间网格内，定义平面及三维区域中虚线框内(图1、图2)范围为装配区域，该区域内部模型单独考虑，作为部件拼装到整体模型内。

S2、按照平面网格形成的栅格点(单元角点连接处在三维长方体网格的xoy面投影)，采用地形插值方法向边坡地表投影，如图3，投影后底部为平面控制网格，上部为控制底面向地表投影得到的边坡表面网格。

S3、判断每个长方体的8个角点的位置，如果8个角点均位于地表面以上，则标识为0，如图4中边坡面上部的长方体单元；如果全部位于地表面以下，则标识为1，如图4中边坡面下部的长方体单元；如果部分点位于边坡面以下，部分点位于边坡面以上，则标识为2，如图4中所示跨边坡面的长方体单元。

S4、对于标识为0的长方体，删除；位于如图1和图2中虚线框所示装配区域内的长方体单元，标识为3，同样删除；针对标识为2的长方体z坐标进行修改：将位于坡表的角点坐标中z坐标修改为坡表Z。从而使该长方体单元的所有角点均位于边坡面及以下，如图5是将所有跨边坡表面的长方体角点修改后，此时所有的单元均位于边坡面及以下。

S5、针对标识为1的长方体单元，其形状如图6所示，采用如图7所示盒子，盒子的长、宽、高方向分别采用长方体单元特征尺寸(da，db，dc)的整数倍，从模型的左下角逐步沿着x、y、z进行遍历，每次移动一个特征尺寸；如果发现盒子内部的所有长方体单元标识全部为1，则记录该位置，然后增大盒子尺寸继续开始遍历；如果第i+1次遍历盒子的体积大于第i次的体积，则替换体积最优盒子并更新数据；遍历完毕后，把记录出体积最优盒子位置内的长方体标识为100，下一次不参与遍历，这些盒子内的长方体单元就可以合并为一个块体。

S6、如此循环遍历，直到所有长方体单元的标识都不为1，遍历结束；块体合并流程如图8所示；图6所示标识为1的长方体单元，合并后如图9所示。对于装配范围内，建模范围按照图1、2所示虚线框为边界，进行精细化模型构建。建好后将该部分模型作为一个配件组装入整体模型，如图10所示，形成最后的边坡模型。其中配件模型可一采用如图11(a)采用小长方体单元构建，也可以采用图11(b)块体合并后构建。

S7、通过检查配件边界条件与边坡初始预留范围是否严格匹配，以保证模型的耦合性。如图12所示即为边界预留了一定宽度缝隙情况，在建模时，应保持该宽度为0，得到如图13所示的严格耦合模型图。

实施例1

S1、从平面(如图1)上选择建模区域为x向范围为x_min＝0，x_max＝800，即宽度a＝800，y向范围y_min＝0，y_max＝1100，即y向长度b＝1100，z方向z_min＝100，然后按照该区域内边坡最高高程形成高度h＝788.2215，并且按照一定特征尺寸长度(x、y、z向分别为da＝1，db＝1，dc＝1)形成长方体网格，如图2所示，整个空间区域由一系列长方体单元构成；

在空间网格内，定义如图1，图2中虚线框内范围为装配区域，装配区域范围为x_min＝252.632，x_max＝631.579；y_min＝347.368，y_max＝868.421；z_min＝400.0。

S2、按照平面网格形成的栅格点(单元角点连接处，三维长方体网格的xoy面投影)，采用地形插值方法向边坡地表投影(地形插值所用参考坐标点根据实际准备)，如图3所示，投影后底部为平面控制网格，上部为向地表投影得到的边坡地表面。

S3、判断每个长方体的8个角点的位置，如果8个角点均位于地表面以上，则标识为0，如图4边坡面上部的长方体单元；如果全部位于地表面以下，则标识为1，如图4边坡面下部的长方体单元；如果部分点位于边坡面以下，部分点位于边坡面以上，则标识为2，如图4跨边坡面的长方体单元。

S4、对于标识为0的长方体，删除；位于图1和图2虚线框所示装配区域内的长方体单元，标识为3，同样删除；针对标识为2的长方体z坐标进行修改：将位于坡表的角点坐标中z坐标修改为坡表Z，从而使该长方体单元的所有角点均位于边坡面及以下，如图5是将所有跨边坡表面的长方体角点修改后，此时所有的单元均位于边坡面及以下。

S5、针对标识为1的块体，如图6所示，采用长方体盒子，盒子的长、宽、高方向分别采用长方体单元特征尺寸(da＝1，db＝1，dc＝1)的整数倍，从模型的左下角逐步沿着x、y、z进行遍历，每次移动一个特征尺寸；如果发现盒子内部的所有长方体单元标识全部为1，则记录该位置，然后增大盒子尺寸继续开始遍历；如果第i+1次遍历盒子的体积大于第i次的体积，则替换体积最优盒子并更新数据；遍历完毕后，把记录出体积最优盒子位置内的长方体标识为100，下一次不参与遍历，这些盒子就可以合并为一个块体；如此循环遍历，直到所有长方体的标识都不为1，遍历结束。块体合并流程如图8所示。图6所示标识为1的块体，合并后如图9所示，一共合并生成了105个块体。

S6、对于装配范围内，建模范围按虚线框为边界，进行精细化模型构建；建好后将该部分模型作为一个配件组装入整体模型，形成最后的边坡模型。其中配件模型可采用如图11(a)小长方体单元构建，也可以采用图11(b)块体合并后构建。

S7、通过检查配件边界条件与边坡初始预留范围是否严格匹配，保证模型的耦合性；如图12所示，即为边界预留了一定宽度缝隙情况，在建模时，应保持该宽度为0，得到如图13所示的严格耦合模型图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于盒覆盖法的边坡装配式离散元模型生成方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、按照正交坐标系x，y，z规则设计模型，其中x，y坐标为水平面内坐标分量，z为垂直向坐标分量；首先建立平面建模区域，按照该区域内边坡最高高程到模型底部高程的距离得到模型高度，按照一定特征尺寸即模型在三个坐标轴方向的单元长度构成三维长方体网格，整个空间区域由一系列长方体单元构成，所有的长方体单元构成空间网格，在此基础上定义平面及三维区域中的装配区域，该区域内部模型单独构建，作为部件拼装到整体模型内；

S2、按照平面网格形成的栅格点即单元角点连接处在三维长方体网格的xoy面上的投影，采用地形插值方法向边坡地表投影，投影后底部为平面控制网格，上部为控制底面向地表投影得到的边坡表面网格；

S3、判断每个长方体单元的8个角点与边坡表面的相对位置，如果8个角点全部位于坡表以上则单元标识为0；8个角点全部位于坡表以下则单元标识为2；如果8个角点分别处于坡表上下方则单元标识为1，装配范围内的长方体单元标识为3；

S4、对于标识为0和3的长方体，删除；对于标识为2的长方体，将位于坡表上方的角点坐标z坐标修改为坡表z坐标值；对于标识为1的长方体，利用盒覆盖法进行合并，使模型总块体数目最少；

S5、输出所有块体，同时进行模型装配及模型边界耦合度检查；

在步骤S4中，所述盒覆盖法的处理步骤为：

S21、针对所有标识为1的长方体单元，采用长方体盒子进行覆盖尝试，盒子的长、宽、高初始分别采用长方体单元在x、y、z坐标方向的特征尺寸即长方体单元在x向、y向、z向的长度，从模型的左下角逐步沿着坐标x、y、z方向移动盒子，每次移动一个特征尺寸；

S22、如果发现盒子内部的所有长方体单元标识全部为1，则记录该位置，然后按特征尺寸继续增大盒子尺寸；如果发现盒子内部的所有长方体单元标识全部为1，停止该尺寸盒子的继续覆盖尝试，记录该位置，然后增大盒子尺寸继续从左下角开始覆盖尝试；定义盒子覆盖的长方体单元体积最大为体积最优盒子；如果第i+1次尝试盒子覆盖的长方体单元体积大于第i次尝试时记录的最优盒子体积，则利用第i+1次的盒子信息更新已记录的体积最优盒子，该盒子信息包括盒位置、盒子体积及其所包含的长方体单元即盒子尺寸，并更新模型数据；

S23、遍历完毕后，把记录出体积最优盒子位置内的长方体标识为100，下一次不参与遍历，把这些位于最优盒子内的长方体单元合并为一个大的块体；

S24、接下来，继续从模型左下角部沿着x、y、z进行循环遍历即循环判断，直到所有长方体的标识都不为1为止，遍历结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于盒覆盖法的边坡装配式离散元模型生成方法，其特征在于：步骤S5中，对于装配范围内，建模范围按装配区域为边界，进行精细化模型构建；建好后将该部分模型作为一个配件组装入整体模型，形成最后的边坡模型；其中配件模型采用小长方体单元构建或者采用块体合并构建。

3.根据权利要求2所述的一种基于盒覆盖法的边坡装配式离散元模型生成方法，其特征在于：步骤S5中，通过检查配件边界条件与边坡初始预留范围是否严格匹配，以保证模型的耦合性。